DE3320885C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche ist aus der US-PS 43 18 007 bekannt und findet beispielsweise bei Microcomputern Anwendung.

Allgemein gesprochen muß ein Entwickler beim Aufbau eines Stromquellensystems, das in Parallelschaltung mehrere Stromquellen enthält, zwei wesentliche Ziele erfüllen. Diese sind insbesondere Zuverlässigkeit der Stromversorgung und Erhöhung der Leistung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels eines üblichen Stromquellensystems, das Dioden zum Zusammenschalten zweier Stromquellen verwendet.

Fig. 1 zeigt zwei parallel betriebene Stromquellen 1 und 2 sowie zwei Dioden D1 und D2. Diese Dioden D1 und D2 verhindern, daß der Ausgangsstrom einer der Stromquellen 1, 2 in die andere fließt, wenn die Ausgangsspannung der einen Stromquelle 1, 2 größer als die der anderen ist. Solche Dioden D1 und D2 finden sich auch bei der aus der US-PS 43 18 007 bekannten Anordnung.

Bei dem beschriebenen Parallelbetrieb zweier Stromquellen 1 und 2 liefert die Stromquelle größerer Ausgangsspannung (beispielsweise Stromquelle 1) praktisch 100% des Laststromes. Unter dieser Bedingung wird im Falle, daß Stromquelle 2 abgeschaltet wird, die Last nicht beeinflußt, da die Stromquelle 1 nach wie vor Ausgangsstrom an die Last liefert. An­ dererseits beginnt im Falle, daß die Stromquelle 1 abgeschaltet wird, die Stromquelle 2 Strom an die Last zu liefern. In beiden Fällen wird die Last konstant mit Laststrom versorgt.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß das bekannte Diodensystem für parallele Stromquellen vorteilhaft ist, da die Anzahl erforderlicher Bauteile verhältnismäßig gering ist und sich eine einfache Anordnung ergibt. Aus folgenden Gründen ist jedoch der Betrieb eines derartigen Systems nachteilig:

• 1) In der Praxis wird die Differenz zwischen den Ausgangs­ spannungen der parallelen Stromquellen nie Null werden. Es ist somit schwierig, ein Lastgleichgewicht zwischen den Stromquellen aufrechtzuerhalten; dies bedeutet, daß Laststrom immer nur von einer der Stromquellen geliefert wird. Somit erhöht sich die Temperatur der den Laststrom abgebenden Stromquelle, so daß diese Stromquelle (und somit das Stromquellensystem) insgesamt in seiner Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Da die Zuverlässigkeit des Stromquellensystems von derjenigen Stromquelle abhängt, die den Laststrom liefert, wird die Zuverlässigkeit auch bei Erhöhung der Anzahl von parallel betriebenen Stromquellen nicht verbessert.
• 2) Wird der Parallelbetrieb durchgeführt, um die Ausgangs­ leistung zu erhöhen, dann reicht die Lastbilanz nicht aus, beide Stromquellen in leitendem Zustand zu halten. Dies bedeutet, daß Strom nur von einer der Stromquellen geliefert wird und daß es notwendig wird, die Leistung des Transistors, der den Strom leitet, zu erhöhen. Es ist somit unmöglich, die Leistung des Transistors durch Verwendung eines Über­ strom-Schutzsystems zu verringern, das eine besonders günstige Ausgangsspannungs-/Laststrom-Charakteristik für die Stromquelle bietet.
• 3) Die Lastbilanz ist, wie zuvor beschrieben, unzureichend. Wenn die Stromquellen derart geschaltet werden, daß eine zuvor nicht leitende Stromquelle leitend geschaltet wird, dann fällt folglich während des Schaltens die Ausgangsspannung merklich ab.
  Bei der aus der genannten US-PS 43 18 007 bekannten Anordnung werden durch Regelung der Ausgangsspannungen der einzelnen Stromquellen diese Nachteile vermieden, doch wohnen ihr noch die folgenden Nachteile inne:
• 4) Aufgrund der Eigenschaften der Dioden D1 und D2 hängt die Ausgangsspannung entweder vom Laststrom oder von der Umgebungstemperatur ab. Dies bedeutet, daß es schwierig ist, die Ausgangsspannung mit hohem Genauigkeitsgrad auf einem konstanten Pegel zu halten.
• 5) Ist der Laststrom hoch, dann ist die Verlustleistung in den Dioden D1 und D2 hoch, so daß der Wirkungsgrad verringert wird.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten bekannten Stromquellensystems, das als "Master-Slave-System" bekannt ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Hauptstromquelle M, eine abhängige Stromquelle S, Ausgangsspannungs-Regeltransistoren Tr1 und Tr2, Fehlerverstärker A1 und A2, eine Zenerdiode ZD1 zum Zuführen einer Bezugsspannung und Ausgangsstrom- Meßwiderstände R14 und R24.

Die Hauptstromquelle M ist eine normale spannungsstabilisierte Stromquelle. In der Hauptstromquelle M wird die Leitfähigkeit des Transistors Tr1 durch das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers A1 derart gesteuert, daß eine an den invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers A1 angelegte Spannung

(d. h. Vc=R13 · E₀/(R12+R13))

gleich ist einer an den nichtinvertierenden Eingang angelegten Spannung, d. h. der Bezugsspannung V_ZD1, wodurch die Ausgangsspannung E₀ konstant gehalten wird.

In der abhängigen Stromquelle S wird das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers A2 zum Steuern der Leitfähigkeit des Tran­ sistors Tr2 derart verwendet, daß eine an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers A2 angelegte Spannung (d. h. die Spannung an Punkt b) gleich ist einer an den invertierenden Eingang angelegten Spannung (d. h. der Spannung am Punkt a), wodurch die Ausgangsspannung E₀ konstant gehalten wird. Ist somit die Spannung am Punkt a gleich derjenigen am Punkt b, so gilt folgende Gleichung:

i₂ · R24=i₁ · R14 (1)

wobei i₁ der von der Hauptstromquelle M der Last zugeführte Strom und i₂ der von der abhängigen Stromquelle S zugeführte Strom ist.

Wählt man R24=R14, dann ist i₂=i₁. Dies bedeutet, daß der der Last von der Hauptstromquelle M zugeführte Strom gleich dem Strom ist, der der Last von der abhängigen Stromquelle S zugeführt wird. Auf diese Weise werden einige Nachteile des Diodensystems gemäß Fig. 1 vermieden.

Das Master-Slave-System hat jedoch folgende Nachteile:

• 1. Wird eine abhängige Stromquelle deaktiviert, dann fließt immer noch Strom entweder von einer anderen abhängigen Stromquelle oder von der Hauptstromquelle. Wird jedoch die Hauptstromquelle deaktiviert, dann werden auch ihre abhängigen Stromquellen abgeschal­ tet. Somit hängt die Zuverlässigkeit des Stromquellen­ systems allein von der Hauptstromquelle ab. Bei einem derartigen Stromquellensystem kann zwar die Ausgangsleistung durch Erhöhen der Anzahl der abhängigen Stromquellen erhöht werden, es kann jedoch die Zuverlässigkeit des Stromquellensystems nicht verbessert werden.
• 2. Die Hauptstromquelle besitzt eine andere Schaltungs­ anordnung als die abhängige Stromquelle. Verglichen mit dem Fall, wo Hauptstromquelle und abhängige Stromquellen eine gleiche Schaltungsanordnung haben ist das Master-Slave-System nicht für die Massenproduktion geeignet. Es ist somit schwierig, die Kosten für die Her­ stellung und die Wartung eines derartigen parallelen Stromquellenaufbaus zu verringern.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Ausgangsleistung erhöht und die Zuverlässigkeit verbessert sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend beschrieben. Es zei­ gen

Fig. 1 ein Schaltbild mit parallel geschalteten Stromquellen, die gemäß dem bekannten Diodensystem verbunden sind,

Fig. 2 ein Schaltbild parallel geschalteter Stromquellen, die in der bekannten Master-Slave-Art verbunden sind, und

Fig. 3 ein Schaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 3 zeigt stabilisierte Stromquellen 1, 2. . . N mit äquivalentem Aufbau, d. h. ein paralleles Betriebssystem mit N Stromquellen. Die positiven Ausgänge (+) bzw. die negativen Ausgänge (-) der Stromquellen 1, 2. . . N sind jeweils miteinander verbunden. Die Stromquellen 1, 2. . . N sind auch miteinander über eine gemeinsame Sammelleitung (Verbindungspunkt) B verbunden. Die Stromquelle 1 besitzt einen Regeltransistor Tr1 zur Regelung eines Ausgangs­ stroms i₁ und damit einer Ausgangsspannung E₀, einen ersten Differenz­ verstärker A13, einen Spannungsfolger A12, der hier als Impedanzwandler dient, einen zweiten Differenz-Verstärker A11, einen Widerstand R11, einen Ausgangsstrom-Meßwiderstand R15 und eine Zenerdiode ZD1 zum Erzeugen einer Bezugsspannung.

Der Aufbau der Stromquellen 2 bis N ist identisch mit der vorgeschriebenen Anordnung der Stromquelle 1. Wenn die Eingangsimpedanz eines der zweiten Differenzverstärker A11, A21. . . , AN1 wesentlich größer ist als der Widerstand R11, R21, . . . RN1, ist es nicht erforderlich, Spannungsfolger A12, A22, . . . AN2 vorzusehen.

Wird nur eine der Stromquellen 1, 2. . . N, beispielsweise Stromquelle 1, betrieben, dann kann ihre Ausgangsspannung E₀ durch folgende Gleichung dargestellt werden, die ähnlich derjenigen des bekannten Systems in Fig. 2 ist:

wobei V_ZD1 die Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 ist.

Weicht die Ausgangsspannung von diesem Wert ab, dann wird eine Differenzspannung V_i1 entsprechend der Spannungs­ abweichung vom ersten Differenzverstärker A13 güber den Widerstand R11 am den Spannungsfolger A12 angelegt. Dieser gibt eine Steuerspannung V_is1 als Einstellwert des Ausgangsstromes ab, die sich proportional der Spannungsabweichung ändert und über den zweiten Differenzverstärker A11 den Regeltransistor Tr1 derart steuert, daß die vom Ausgangs­ strom i₁ der Stromquelle 1 über dem Meßwiderstand R15 erzeugte Spannung i₁R₁₅ mit der Steuerspannung V_is1 übereinstimmt. Somit wird die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Bezugsspannung durch Nachstellen der Ausgangsspannung E₀ beseitigt.

Der am Widerstand R₁₅ auftretende Spannungsabfall i₁R₁₅ liegt im Bereich zwischen einigen zehn und 100 mV. Dies ist ausreichend klein, verglichen mit der Ausgangsspannung E und der Spannungs­ abweichung und somit ist es möglich, die Auswirkung dieses Spannungsabfalls über dem Meß­ widerstand R₁₅ auf die Ausgangsspannung E zu vernachlässigen.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß N Stromquellen einander parallelgeschaltet sind, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Stromquellen 1, 2. . . N, d. h. die Regeltransistoren Tr1, Tr2 . . . TrN, werden so gesteuert, daß den Steuerspannungen V_is gleiche Spannungen an den positiven Eingang der zweiten Differenz­ verstärker A11, A21. . . AN1 angelegt werden, um die Aus­ gangsspannungen entsprechend einzustellen. Werden N- Stromquellen parallel betrieben, dann sind jedoch die Steuerspannungen, die den zweiten Differenzverstärkern A11, A21. . . AN1 zugeführt werden, von denjenigen verschieden, die beim Betrieb einer einzigen Stromquelle erzeugt werden. Diese Steuerspannungen ergeben sich durch Mittelung der Differenzspannungen der Stromquellen 1, 2. . . N über die Widerstände R11, R21, . . . und RN1, die miteinander durch die gemeinsame Sammelleitung B verbunden sind.

Werden die Differenzspannungen in den Stromquellen 1, 2 . . . N durch V_i1, V_i2 . . . uns V_iN und die Eingangsimpedanzen der Spannungsfolger A12, A22 . . . AN2 durch Z_i1, Z_i2, . . . und Z_iN dargestellt, dann ist die Steuerspannung V_is1 an einer Eingangsklemme des zweiten Differenzver­ stärkers A11 der Stromquelle 1 definiert durch die Gleichung:

wobei Z_i=Z_i1/ /Z₁₂/ / . . . / /Z_iN

R1/ /R2 bedeutet

Gleichung (3) kann dann nach dem Prinzip der Überlagerung berechnet werden. Der Rechenvorgang soll nicht in seiner ganzen Länge und Vollständigkeit beschrieben werden, er ist dem Fachmann wohlbekannt.

Ist R11=R21= . . . RN1=R und ist die Eingangsimpedanz jedes der Spannungsfolger V12, A22, . . . und AN2 wesentlich höher als der Widerstandswert R, dann kann die obige Gleichung umgeschrieben werden wie folgt:

V_is1=N(V_i1+V_i2+ . . . +V_iN) (4)

Somit ist die Steuerspannung für die Stromquelle 1 der Mittelwert der Differenzspannungen aller Stromquellen 1, 2. . . N. Da ferner die Steuerspannung bei allen Stromquellen 1 bis N gleich ist, sind die Stromquellen 1, 2 . . . N gleichmäßig belastet. Somit ist der Temperaturanstieg bei allen Stromquellen gleich. Auch sind die Temperatur­ anstiege klein verglichen zu denjenigen bei dem Diodensystem. Es ergibt sich somit ein Parallelbetriebs­ system mit einem höheren Grad an Zuverlässigkeit.

Wird die Summe der Ausgangsströme der N Stromquellen im Parallelbetrieb mit I bezeichnet, dann ist der Ausgangswert jeder Stromquelle I/N. Wird eine der N Stromquellen deaktiviert, dann erhöhen alle übrigen (N-1) Stromquellen ihren Ausgangsstrom um I/N(N-1), um den Ausfall der deaktivierten Stromquelle zu kompensieren. Ist somit der Ausgangswert jeder der Stromquellen gleich

dann wird eine Stromquelle bei ihrer Deaktivierung durch die anderen ersetzt. Wird die Anzahl N der Stromquellen, die parallel betrieben werden, weiter erhöht, dann ergibt sich ein sehr zuverlässiges Stromquellensystem. Selbst wenn mehrere Stromquellen deaktiviert werden, übernehmen die übrigen Stromquellen die Last.

Falls es nicht erforderlich ist, daß eine oder mehrere abge­ schaltete Stromquellen durch die anderen ersetzt werden, kann das Stromquellensystem den maximalen Ausgangsstrom von N×i (wobei i der maximale Ausgangsstrom pro Stromquelle ist) abgeben. Somit kann die Ausgangsleistung des Stromquellensystems durch Hinzufügen von soviel Stromquellen erhöht werden, wie erforderlich sind. Es ist auch möglich, die Ausgangsleistung des Stromquellen­ systems mit Übenahmefunktion zu erhöhen, wie dies zuvor beschrieben wird.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Stromversorgung einer Last mit Hilfe mehrerer parallelgeschalteter, spannungsstabilisierter Stromquellen, in denen jeweils eine aus der Ausgangsspannung der betreffenden Stromquelle abgeleitete Spannung in einem ersten Differenzverstärker mit einer Bezugsspannung verglichen und aus der Differenzspannung eine Steuergröße zum Regeln der Ausgangsspannung der betreffenden Stromquelle abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der ersten Differenzverstärker (A13, A23 . . . AN3) aller Stromquellen (1, 2 . . . N) über jeweils einen Widerstand (R11, R21 . . . RN1) miteinander verbunden sind (Verbindungspunkt B) und in jeder Stromquelle (1, 2 . . . N) die an dem Verbindungspunkt (B) anliegende Spannung in einem zweiten Differenzverstärker (A11, A21 . . . AN1) mit einer dem Laststrom duch die betreffende Stromquelle (1, 2 . . . N) proportionalen Spannung verglichen wird und die so erhaltene Differenzspannung die Steuergröße ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungspunkt (B) und die zweiten Differenzverstärker (A1, A21 . . . AN1) jeweils ein Spannungsfolger (A12, A22 . . . AN2) geschaltet ist.